一種基于雙矢量磁傳感器的車輛信息采集及處理系統和方法與流程

本發明涉及一種基于雙矢量磁傳感器的車輛信息采集及處理系統和方法，屬于智能交通及信號處理領域。
背景技術：
：隨著我國經濟中高速發展，人民經濟不斷提高，汽車化進程加快，車多路少的局面給城市的交通帶來了巨大挑戰。為了解決現有問題，人們把發展目光聚焦到了智能交通領域。而在智能交通領域，車輛檢測是智能交通領域最為基礎的，也是最重要的環節。當今國際上常用的車輛檢測技術主要有環形線圈、視頻、微波和磁阻傳感器等。環形線圈技術大多應用于城市交通路口、高速路口，它檢測精度高，可靠性好，但安裝維護復雜，破壞路面。視頻檢測主要應用于路口，可清楚地看到交通現狀，但檢測精度受天氣、光線的影響較大，鏡頭容易受路面灰塵的影響。微波大多應用于高速路段的車速測量，安裝方便、壽命長，但容易受周圍環境的影響。磁阻傳感器，它具有體積小、成本低、安裝維修方便等特點，由此磁阻傳感器更加適合用作現今的車輛識別前端傳感器。目前，常見的磁阻傳感器車輛檢測算法主要有固定閾值算法、自適應閾值算法、狀態機檢測算法等。檢測車輛是否存在需要使用一或兩個傳感器對車輛進行識別，然后對車速進行估計，最后使用模式識別或閾值分類算法識別車型。但在判決的依據方面多使用單一判據，處理的準確度較差。技術實現要素：根據本發明的一個方面，提供了一種基于雙矢量磁傳感器的車輛信息采集及處理系統，其特征在于包括：前端雙矢量磁傳感器部分，包括兩個矢量磁阻傳感器S1和S2，用于把車輛運動產生的磁場信號轉換成模擬電信號，信號采集部分，用于把前端雙矢量磁傳感器部分輸出的模擬電信號轉換為數字信號，車輛信息確定部分，用于對來自信號采集部分的數字信號進行特征量的確定，找到適合處理的數值，并確定包括車輛的有無、車輛行駛方向、車速、車長的車輛信息，結果輸出部分，用于輸出所述車輛信息。根據本發明的另一個方面，提供了一種基于雙矢量磁傳感器的車輛信息采集及處理方法，其特征在于包括以下步驟：A)用包括兩個矢量磁阻傳感器S1和S2的前端雙矢量磁傳感器部分，把車輛運動產生的磁場信號轉換成模擬電信號，B)把前端雙矢量磁傳感器部分輸出的模擬電信號轉換為數字信號，C)對來自信號采集部分的數字信號進行特征量的確定，找到適合處理的數值，并確定確定包括車輛的有無、車輛行駛方向、車速、車長的車輛信息，D)通過結果輸出部分，輸出所述車輛信息。附圖說明圖1是本發明的系統示意圖。圖2是本發明的傳感器陣列的安裝示意圖。圖3是本發明的算法的流程框圖。具體實施方式本發明采用雙矢量磁傳感器，并提出了多判據的處理方法，從系統復雜度和性能方面做了比較好的折衷，并提出一種新的車輛信息處理方法，具備較好魯棒性好及較低的復雜度。根據本發明的一種基于雙矢量磁傳感器的車輛信息采集及處理系統包括雙矢量磁傳感器的車輛信息采集部分及處理部分。其中，車輛信息采集系統包括前端雙矢量磁傳感器部分、信號采集部分、處理器部分及結果輸出采集部分。處理部分包括車輛信息確定部分。以下分別進行說明。1車輛信息采集采集部分(1)前端雙矢量磁傳感器部分該部分包括相距一定距離的兩個三維磁傳感器及必要的信號放大、濾波及驅動電路，用于完成磁場信號到電信號的轉換。基于磁阻傳感器的車輛信息處理系統的基本原理是利用磁阻傳感器采集車輛經過前后的地球磁場的變化量，進行進一步分析得到車輛信息。其物理機理在于一般車輛的含有鐵磁性物質在行駛過程中會切割地球已有的磁場分布，會造成磁場的變化。車輛經過引起的磁場擾動為低頻信號，其強度多在nT到uT級別，適合采用磁阻傳感器。磁阻傳感器有三種選擇，分別是AMR(Anisotropicmagnetoresistance，各向異性磁敏電阻)、GMR(Giantmagnetoresistance，巨型磁敏電阻)和TMR(Tunnelmagnetoresistance，隧道磁敏電阻)。其中，相對而言，AMR由于其方向性明確、靈敏度適中和較高的性價比更適合本發明的方法。由于磁敏電阻的原始輸出電信號都比較微弱，所以需要對信號進行放大處理。由于車輛經過的磁場為低頻交變磁場，所以濾波處理也是必要的，以去除環境磁場的干擾信息。最后，該部分的輸出信號經過驅動電路的處理以傳送到下級的信號采集部分。(2)信號采集部分信號采集部分完成模擬數字轉換功能，用于實現前端傳感器輸出的模擬信號轉換為處理器部分所需要的數字信號。根據本發明的一個實施例，信號采集部分包括數據采集卡；根據本發明的另一個實施例，信號采集部分包括ADC(Analog-DigitalConvertor，模擬數字轉換器)電路。信號采集部分滿足低噪聲和轉換精度的要求，降低自身帶來的電氣噪聲。(3)車輛信息確定部分根據本發明的一個實施例，車輛信息確定部分包括加載有相應的處理應用的。在根據本發明的實施例中，采用電腦或者其他嵌入式平臺。當考慮到實時性要求時，一般選用DSP(數字信號處理器)類具備較強運算功能和數據吞吐量的執行硬件平臺。對車輛信息確定部分的更詳細描述見下文。(4)結果輸出部分結果輸出部分為車輛信息的輸出指示部分和/或數據傳送部分。輸出部分涵蓋車輛信息的一般內容，包括有無車輛、車輛行駛方向、車速、車長等。當作為輸出指示部分時，結果輸出部分還具備顯示功能和指示功能的設備。當作為數據傳送部分時，結果輸出部分將車輛信息的一般內容通過通信接口和協議傳送給另一端。實際中，另一端為交通指揮中心或者數據匯總中心。2車輛信息確定部分車輛信息采集及處理系統對采集到的數據進行特征量的確定，找到適合計算的數值。并進行車輛信息的確定，確定出車輛的相關信息，包括車輛的有無、車輛行駛方向、車速、車長等。車輛信息確定部分包括如下數據預處理部分、車輛有無判別部分、車輛方向判別部分、平均車速測量部分和車長測量部分。下面分別進行說明。(1)數據預處理部分根據前端的兩個矢量磁阻傳感器的安裝，原始數據為6路，為兩個傳感器在固定XYZ軸的磁場信號，分別記為S1.X、S1.Y、S1.Z、S2.X、S2.Y和S2.Z(S1代表其中一個磁敏傳感器，S2代表另外一個)。首先將信號進行濾波處理，以排除突發性的干擾信號。然后將濾波后的信號進一步進行運算，將數據量的直流成分去除，分別得到6個交變量ΔS1.X、ΔS1.Y、ΔS1.Z、ΔS2.X、ΔS2.Y和ΔS2.Z。再進一步處理，得到6個派生量分別是ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z，其數學定義如公式(1)-(6)所示。ΔS12.TMI＝ΔS1.TMI-ΔS2.TMI公式(3)從物理概念上看，ΔS1.TMI和ΔS2.TMI反應了兩個傳感器測出磁場中交變場的總強度，為向量(ΔS1.X,ΔS1.Y,ΔS1.Z)和(ΔS2.X,ΔS2.Y,ΔS2.Z)的二范數；ΔS12.TMI反應了兩個傳感器的交變場的總強度的差值；Grad.X、Grad.Y和Grad.Z反應了XYZ坐標方向上兩個傳感器的磁場隨距離的變化量，一般稱為梯度值。實際判斷中，需要找到上述6個派生量中變換比較大的量，作為判斷的主依據。比較XYZ軸上的TMI值，找到TMI值最大的作為敏感軸，從而對敏感軸做數據計算。(2)車輛有無判別部分在判別有無車輛上，采用多依據加權判別的方法。上一步中，計算得到6個量，分別是ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z。可將6個量進行加權處理，增加加權系數λ1-λ6，并依據公式(7)計算得到pass_score。需要注意的時，加權系數λ1-λ6一般不會采用平均加權的處理，而會采用根據比重加權的方法。具體加權值的確定可采用6個量的相對變化量來確定。如果某個量的變化較大，說明該量比較敏感，其對應的加權值應較大。通常來講，λ3的比重會比較大，λ1和λ2次之。這反映出判斷車輛有無時，以傳感器的交變場的總強度的差值作為車輛經過的主要依據，兩個傳感器測出磁場中交變場的總強度作為次要依據，每一方向上的梯度值作為較小依據。根據以上六個量分別加權進行車輛有無判別，需滿足主依據與其中一個次依據才能判別有車經過，否則判別沒有車經過pass_score=λ1*ΔS1.TMI+λ2*ΔS2.TMI+λ3*ΔS12.TMI+λ4*Grad.X+λ5*Grad.Y+λ6*Grad.Z---(7)]]>pass_score的數值與預設的閾值比較。如果大于閾值，則有車通過，否則無車通過。在本發明的一個實施例中采用固定閾值算法，具體閾值通過對汽車通過的場景的多次實測得到。(3)車輛方向判別部分在判別車輛方向上，使用Grad.X、Grad.Y和Grad.Z作為判斷的主要依據。依據三個量的變化斜率并綜合三個斜率得到車輛的行駛方向。如果Grad.X的斜率為正，則為某行駛方向為X軸正向；反之，則為X軸負向。同理Grad.Y和Grad.Z用于判斷Y軸和Z軸向行駛方向。最后，再將三個坐標軸的行駛方向進行綜合判斷(4)平均車速測量部分對傳感器輸出濾波之后的信號S1.X、S1.Y、S1.Z、S2.X、S2.Y和S2.Z中變換比較大的量，即判斷的主依據，進行二值化處理以去掉數據中一些無效的數據點，選擇判斷的主依據判斷閾值St，，將波形轉換為歸一化的方波(1,0)，其中歸一化方波中敏感軸上第N個采樣點處值的選取方法為:S=1,Sn<St0,Sn>St]]>式中：Sn為采樣點N處的值；St為設置的波形閾值。選擇時候應注意兩個傳感器應綜合考慮變化較大的量，應保持判斷依據的數據方向為同一個方向。使用上述二值化后的某傳感器的數據，，并計算相鄰01變化的點數之差，并結合采樣率，計算出車輛經過兩個傳感器的時間差T，如公式7所示。其中，N2和N1分別是傳感器2和1出現電平01變化的點數，S為采樣率。T＝(N2-N1)/S(7車輛的平均速度依據公式8計算，其中L為雙傳感器在敏感方向的距離，為已知量，T在公式7中計算得到。計算車輛經過兩個傳感器之間的時間，按照：V＝L/T(8)(5)車長測量部分特征曲線波形長度反映的是車輛通過傳感器的時間，隨車速或車輛長度的大小成比例伸縮。利用傳感器記錄同一車輛經過2個傳感器的時間差，對波形做歸一化處理消除車速對時間軸的影響，則歸一化后的波形長度與整車長度成正比。設T1、T2分別為第一個傳感器檢測到車輛存在和離開的時刻，T3、T4分別為第二個傳感器檢測到車輛存在和離開的時刻，則該車輛通過一個傳感器的平均時間見式(9)，上面已經求出平均車速，由時間和平均車速即可得出車輛的長度，見式(10)。T＝((T2－T1)+(T4－T3))/2(9)length＝V*T(10)為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合具體實施例對本發明進行詳細描述。圖1為本發明的系統示意圖。其中，車輛信息采集及處理系統由前端雙矢量磁傳感器部分、信號采集部分、處理器部分及結果輸出采集部分四部分組成。前端雙矢量磁傳感器部分由相距一定距離的兩個三維磁傳感器及必要的信號放大、濾波及驅動電路組成，用于完成磁場信號到電信號的轉換。信號采集部分完成模擬數字轉換功能，用于實現前端傳感器輸出的模擬信號轉換為處理器部分所需要的數字信號。具體實現方法可利用數據采集卡或者各種ADC(Analog-DigitalConvertor，模擬數字轉換器)電路。性能方面應滿足低噪聲和轉換精度的要求，降低自身帶來的電氣噪聲。處理器部分為車輛信息確定部分運行的載體，用于實現車輛信息確定處理。一般可選擇電腦或者其他嵌入式平臺。如考慮到實時性要求，一般選用DSP(數字信號處理器)類具備較強運算功能和數據吞吐量的處理執行硬件平臺。結果輸出部分為車輛信息的輸出指示部分或者數據傳送部分。輸出部分應涵蓋車輛信息的一般內容，如有無車輛、車輛行駛方向、車速、車長等。如為輸出指示部分應為具備顯示功能和指示功能的設備。如為數據傳送部分，則應將車輛信息的一般內容通過某種通信接口和協議傳送給另一端。實際中，另一端為交通指揮中心或者數據匯總中心。圖2為本發明的傳感器陣列的安裝示意圖。其中，坐標系采用直角坐標系，原點為O點，坐標軸為XYZ。這里假設小車的行進方向與Y軸正向一致。傳感器S1和S2在坐標系中任意放置，其信號輸出為S1X、S1Y、S1Z、S2X、S2Y和S2Z。兩個傳感器在XYZ軸方向的距離差分別是dX、dY和dZ。這三個距離是傳感器布局時確定的，對于信號處理過程為已知量，用于計算梯度值。圖3是本發明的處理操作的流程框圖。從流程圖看，處理操作包括：(1)平滑濾波首先將信號進行濾波處理，以排除突發性的干擾信號。考慮到實時性和處理器的能力，本處理方法采用均值平滑濾波來處理原始的傳感器信號，如圖3所示。此方法適用于動態信號的處理，不僅能很好的削弱毛刺噪音，而且計算簡單。平滑后的波形圖可以看出，車輛經過傳感器時的檢測信號經過平滑后，毛刺現象己經被有效的削弱，而車輛的特征波形被保留。在利用均值平滑濾波過濾毛刺噪音的同時，還可以一定程度的過濾掉相鄰車道車輛產生振幅較小，波寬較短的波形。(2)去除直流量將濾波后的信號進一步進行運算，將數據量的直流成分去除，分別得到6個交變量ΔS1.X、ΔS1.Y、ΔS1.Z、ΔS2.X、ΔS2.Y和ΔS2.Z。(3)計算6個派生量再進一步處理，得到6個派生量分別是ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z，其數學定義如公式(1)-(6)所示。ΔS12.TMI＝ΔS1.TMI-ΔS2.TMI公式(3)(4)車輛有無判別在判別有無車輛上，采用多依據加權判別的方法。上一步中，計算得到6個量，分別是ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z。可將6個量進行加權處理，增加加權系數λ1-λ6，并依據公式(7)計算得到pass_score。需要注意的時，加權系數λ1-λ6一般不會采用平均加權的處理，而會采用根據比重加權的方法。具體加權值的確定可采用6個量的相對變化量來確定。如果某個量的變化較大，說明該量比較敏感，其對應的加權值應較大。通常來講，λ3的比重會比較大，λ1和λ2次之。這反映出判斷車輛有無時，以傳感器的交變場的總強度的差值作為車輛經過的主要依據，兩個傳感器測出磁場中交變場的總強度作為次要依據，每一方向上的梯度值作為較小依據。根據以上六個量分別加權進行車輛有無判別，需滿足主依據與其中一個次依據才能判別有車經過，否則判別沒有車經過pass_score=λ1*ΔS1.TMI+λ2*ΔS2.TMI+λ3*ΔS12.TMI+λ4*Grad.X+λ5*Grad.Y+λ6*Grad.Z---(7)]]>pass_score的數值與預設的閾值比較。如果大于閾值，則有車通過，否則無車通過。在處理操作方面采用固定閾值算法，具體閾值通過對汽車通過的場景的多次實測得到。(5)判斷行駛方向在判別車輛方向上，在本發明的一個實施例中，使用通過濾波之后的數據，分別比較兩個傳感器XYZ每一個坐標軸的差值，再用差值與預設系數判別出車輛行駛方向。因為傳感器反應的每個坐標軸的起點不同，所以需要預設系數平衡起點的差異與環境影響因素。(5)二值化車輛經過信息不同的車型其車長、內部構造迥異，所含鐵磁性物質量和位置都有很大不同，因此當車輛經過傳感器時引起的地磁擾動波形也有很大差異。但同一類型的車輛由于其結構相似，波形的關鍵屬性是相似的，因此，擾動波形上能夠反映車型的特征量。考慮到車速、車輛底盤距離檢測系統高度等因素也會對波形造成很大的影響，故需要先對濾波之后的數據進行二值化處理。去掉數據中一些無效的數據點，盡可能減少環境和車輛本身對采集數據的影響。可以利用敏感軸擾動波形數據進行處理，以敏感軸擾動波形數據為標準，將波形轉換為歸一化的方波(1,0)。歸一化方波中敏感軸上第N個采樣點處值的選取方法為:S=1,Sn<St0,Sn>St]]>式中：Sn為采樣點N處的值；St為設置的波形閾值。所示，歸一化方波中的波峰/波谷對應的是敏感軸地磁信號發生嚴重畸變的采樣點，也就是車輛傳動軸或發動機通過傳感器上方的時刻，由于發動機的安裝位置往往緊靠傳動軸，在歸一化方波中與傳動軸重疊。因此，波峰/波谷的數目N能完整代表車輛的傳動軸個數。(6)計算平均車速分別計算二值化后的數據在高電平變化前低電平的點數，用兩個點數差和采樣率計算車輛經過兩個傳感器之間的時間，傳感器之間相對距離一定可以得到車輛的平均速度。見式(1.1)、(1.2)。T＝(N2-N1)/100(1.1)V＝L/T(2.2)(7)計算車長特征曲線波形長度反映的是車輛通過傳感器的時間，隨車速或車輛長度的大小成比例伸縮。利用傳感器記錄同一車輛經過2個傳感器的時間差，對波形做歸一化處理消除車速對時間軸的影響，則歸一化后的波形長度與整車長度成正比。設T1、T2分別為第一個傳感器檢測到車輛存在和離開的時刻，T3、T4分別為第二個傳感器檢測到車輛存在和離開的時刻，則該車輛通過一個傳感器的平均時間見式(1.3)，上面已經求出平均車速，由時間T和平均車速即可得出車輛的長度length，見式(1.4)。T＝((T2－T1)+(T4－T3))/2(1.3)length＝V*T(1.4)本發明的優點和有益效果包括本發明具有如下的優點：(1)對車輛通過傳感器的信息實時記錄與儲存，穩定性高、裝置靈活性強，可以隨時搭建，不受地點影響。(2)判別操作新穎、準確，對環境干擾有一定濾除作用。能有效避免誤判，對于車輛信息計算相對準確。當前第1頁1 2 3